MASTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL
ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES
UNIVERSIDAD DE VALLADOLID
TRABAJO FIN DE MÁSTER
CARACTERIZACIÓN DE LAS FUGAS DE
AIRE EN RECUPERADORES ROTATIVOS
SENSIBLES A PARTIR DE MEDIDAS DE
HUMEDAD. CASO DE ESTUDIO.
Autor: D. Eduardo Valverde Lorenzo Tutor: Dña. Ana Tejero González Cotutor: Dña. Paula Matilde Esquivias Fernández Valladolid, abril, 2020
I
R
ESUMEN
El empleo de dispositivos de recuperación de calor en instalaciones de ventilación está en auge. Es uno de los pocos métodos que permite mantener una alta calidad del aire interior en edificios a la vez que se favorece el uso eficiente de la energía. La aplicación los recuperadores rotativos, que son uno de los tipos de recuperadores de calor más utilizados en climatización, está limitado a la actividad que se lleve a cabo dentro de estos edificios debido al riesgo de transmisión de contaminantes entre corrientes a causa de la no estanqueidad del dispositivo.
Por ello, en este documento se va a desarrollar un modelo matemático que permite caracterizar las fugas en recuperadores rotativos sensibles a partir de la medida de humedad de sus corrientes. El potencial de este estudio radica en la sencillez y economía de las medidas de humedad del aire frente a la medida de contaminantes del aire, lo cual constituye una novedad frente a la literatura existente. Este modelo se aplica a dos casos: a partir de los resultados experimentales sobre un equipo real y mediante datos del fabricante de un recuperador del mercado.
Palabras clave: Eficiencia energética, climatización, recuperador rotativo sensible, fugas, modelo matemático.
A
BSTRACT
The employment of heat exchangers in ventilation systems is in booming. It is one of the few methods that allows maintaining a high quality indoor air in buildings at the same time it favours the efficient use of energy. The application of rotary heat exchangers, which are one of the most widely used types of heat recovery devices in air conditioning systems, is restricted to the activity that takes place inside these buildings, due to the risk of transmission of pollutants between streams due to the not tightness of the device.
For this reason, a mathematical model is develop to characterize the leakages in thermal wheels based on the measurement of the moisture of their streams. The potential of this study lies in the simplicity and economy of air humidity measurements compared to air pollutants measurement, which constitutes a novelty compared to the existing literature. This model is applied in two cases: based on experimental results of a real equipment and by using data from a thermal wheel manufacturer of the market.
III
A
GRADECIMIENTOS
Hace ya 6 años que me embarqué en la etapa más complicada de mi vida, llegar hasta el final del segundo ciclo universitario no ha sido fácil, es satisfactorio pensar que, tras todo el esfuerzo y el progreso, finalmente he podido superar los obstáculos en el camino que me han llevado a convertirme en la persona que soy hoy en día. Por ello, quiero dar las gracias a todas aquellas personas que han conseguido hacerme este camino mucho más fácil.
A toda mi familia y amigos, por soportarme en momentos complicados, por apoyarme y ayudarme. Quiero pensar que, gracias a pertenecer a este pequeño grupo de personas y a todo el afecto que me han procesado, han conseguido hacerme mejor persona. En especial a mi tío Rubén, quien cuando las cosas se torcían ha dado un paso adelante en ayudarme y darme un ejemplo a seguir como ingeniero.
A todo el departamento de Termotecnia; a Ana por estar siempre ahí y ser paciente conmigo; a Eloy por sus lecciones; a Paula por su compromiso y a Julio por ayudarme; a todos ellos por haberme motivado en mi última etapa.
Y, por último, al apoyo del Ente Regional de la Energía de Castilla y León, que ha hecho posible este trabajo a través del proyecto: "Alternativas de Recuperadores de Calor en el Diseño de Edificios Próximo a Cero Energía (nZEB) y rehabilitación de edificios" [Ref.: EREN_2019_L2_UVA].
V
Índice
Resumen/Abstract ... I Agradecimientos ... III Índice ... V Nomenclatura ... VII1 Ventilación en edificios y eficiencia energética ... 1
1.1 Introducción ... 1
1.2 Eficiencia energética ... 1
1.3 Calidad del aire interior (IAQ) ... 3
1.4 Ventilación... 6
1.5 Medidas de ahorro energético compatibles con la IAQ ... 7
2 Estado de la técnica ... 9
2.1 Recuperadores de energía en climatización ... 9
2.2 Recuperador rotativo sensible ... 17
2.3 Estudios previos de caracterización de fugas en un recuperador rotativo sensible ... 22
3 Estudio teórico ... 25
3.1 Modelo matemático ... 25
3.2 Resolución del modelo en Matlab ... 39
4 Estudio práctico ... 41
4.1 Recuperador rotativo empleado ... 41
4.2 Primer caso práctico ... 42
4.3 Segundo caso práctico ... 44
4.4 Resultados ... 48
5 Análisis y discusión de resultados ... 55
5.1 Primer caso práctico ... 55
5.2 Segundo caso práctico ... 57
6 Conclusiones y trabajos futuros ... 61
7 Bibliografía ... 63
Anexos ... 67
Anexo 1: Codificación y resultados caso práctico 1 ... 67
Anexo 2: Documentación de YAHUS caso práctico 2 ... 79
VII
N
OMENCLATURA
A: Área [m2]
Cs: Coeficiente de descarga [Adimensional]
c: Concentración del gas trazador [ppm]
Cp: Calor específico [J/kg K]
De: Diámetro exterior del recuperador [m]
Di: Diámetro interior del recuperador [m]
E: Espesor del recuperador [m]
EATR: Ratio de transferencia del aire de extracción [Adimensional]
F: Porcentaje de fugas [%]
h: Entalpías específicas [kJ/kg]
HR: Humedad relativa [%]
K: Parámetro de pérdidas [Pa s2/m6]
k: Factor de compresibilidad
L: Entalpía de vaporización [J/kg K]
ṁ, M: Flujo másico [kg/s]
OACF: Ratio de ventilación necesaria en la impulsión [Adimensional]
P: Presión absoluta [Pa]
Pr: Presión manométrica [Pa]
Patm: Presión atmosférica [Pa]
Pc: Pérdida de carga al paso por el recuperador [Pa]
Pm: Peso molecular [g/mol]
Pvap: Presión de vapor [Pa]
Psat: Presión de saturación [Pa]
Q: Caudal [m3/h] 𝑸̇: Potencia [kJ/s]
R: Constante de los gases [J/kg K]
T: Temperatura [ºC] t: Tiempo [s] ν: Volumen específico [m3/kg] Vel: Velocidad [m/s] w: velocidad angular [rpm] X: Humedad absoluta [kgw/kgas]
Z: Número de juntas o huecos [Adimensional]
α: Ángulo de giro [º]
𝝆: Densidad [kg/m3]
VIII
ε: Eficiencia [%]
θ: Ángulo de la sección de purga [º]
Subíndices
amb: Ambiente
as: Aire seco
bp: Relativo a la corriente de bypass
cc: Relativo a la corriente de cortocircuito
co: Relativo a la corriente de arrastre
EA, ea: Relativo a la corriente EA
EAR, ear: Relativo a la corriente EA que interactúa con el recuperador
f: Relativo a fugas
fa: Relativo a las fugas axiales
fe: Relativo a las fugas radiales por la parte exterior
fi: Relativo a las fugas radiales por la parte interior
g: Relativo al tiempo de giro
h: Relativo al hueco
imp: Relativo a la corriente de impulsión
l: Latente
min: Mínimo o de menor valor
max: Máximo o de mayor valor
OA, oa: Perteneciente a la corriente OA
OAR, oar: Perteneciente a la corriente OA que interactúa con el recuperador
p: Relativo a la sección de purga
s: Sensible
SA, sa: Relativo a la corriente SA
SAR, sar: Relativo a la corriente SA que interactúa con el recuperador
RA, ra: Relativo a la corriente RA
RAR, rar: Relativo a la corriente RA que interactúa con el recuperador
r: Relativo a las fugas radiales
res: Relativo al tiempo de residencia
ret: Relativo a la corriente de retorno
T, t: Total
v: Vapor de agua
w: Agua
α: Relativo al ángulo de giro
1
1
V
ENTILACIÓN EN EDIFICIOS Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
1.1
I
NTRODUCCIÓNLa energía es un recurso indispensable para la vida del ser humano tal y como hoy la entendemos. Por lo que se requiere su disponibilidad de forma segura, asequible y con el menor impacto posible sobre el medio ambiente, de forma que su generación y uso sea sostenible. Para afrontar el reto de emplear la energía de forma más efectiva y sostenible en todo tipo de sectores, se puede recurrir a varias opciones [1]:
1. Uso más eficiente de la energía, evitando desperdicios de la misma.
2. Uso mayoritario de energías renovables (aunque limitado por la irregularidad en cuanto a la obtención de las mismas y su impacto al ecosistema).
3. Desarrollo de nuevas tecnologías energéticas, ligadas a un impacto contaminante menor.
La legislación española mediante el Reglamento de Instalaciones Térmicas de Edificios (RITE), establece cuatro medidas de ahorro energético enfocadas a un mejor aprovechamiento de la energía, descritas en las Figura 1. El RITE tiene como finalidad establecer las exigencias de eficiencia energética que deben de cumplir las instalaciones térmicas en los edificios [2].
Figura 1: Hitos para mejorar panorama energético en edificios.
1.2
E
FICIENCIA ENERGÉTICALa eficiencia energética tiene como finalidad el uso eficiente de la energía. El objetivo de cualquier sistema debe ser el mantener las condiciones operativas óptimas del mismo demandando la mínima cantidad de energía posible para con ello reducir su impacto en el medio
2 ambiente; por ello se buscan medidas de ahorro que aumenten en la medida de lo posible la eficiencia de los sistemas.
Actualmente el Código Técnico de la Edificación (CTE) y más específicamente el DB-HE [3] tienen por objeto establecer reglas y procedimientos que permitan el cumplimiento de las exigencias básicas de ahorro de energía en edificios. Estas exigencias son de obligado cumplimiento en edificios de nueva construcción y/o cuando haya intervenciones en edificios ya existentes.
Dentro de cada tipo de exigencia básica de ahorro energético regulada en el RITE, se establecen unos límites para su cumplimiento:
Exigencia básica HE 0: Limitación del consumo energético. Limita el consumo necesario en el edificio en función de la zona climática donde se encuentre el mismo y promueve el uso de energías renovables.
Exigencia básica HE 1: Condiciones para el control de la demanda energética. Establece los valores mínimos necesarios que deben de cumplirse en las envolventes térmicas de los edificios, para de esa manera reducir las necesidades de energía primaria del edificio.
Exigencia básica HE 2: Condiciones de las instalaciones térmicas. Las exigencias se desarrollan ampliamente en el RITE [2], del cual se hablará en adelante.
Exigencia básica HE 3: Condiciones de las instalaciones de iluminación. Promueve el aprovechamiento de luz natural y el ajuste de la iluminación dependiendo de las necesidades de cada zona del edificio.
Exigencia básica HE 4: Contribución mínima de energía renovable para cubrir la demanda de agua caliente sanitaria. Exige satisfacer las necesidades de ACS empleando fuentes renovables o procesos de cogeneración renovables.
Exigencia básica HE 5: Generación mínima de energía eléctrica. Implementa la generación de energía eléctrica para aprovechamiento del propio edificio o para el suministro de la red.
Dentro del DB-HE, cuando se hace referencia a las instalaciones térmicas, el Código Técnico de la Edificación establece que debemos seguir regulado en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE).
El Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios [2] especifica: “Las instalaciones térmicas deben diseñarse y calcularse, ejecutarse, mantenerse y utilizarse de tal forma que se reduzca el consumo de energía convencional de las instalaciones térmicas y, como consecuencia, las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes atmosféricos, mediante la utilización de sistemas eficientes energéticamente, de sistemas que permitan la recuperación de energía y la utilización de las energías renovables y de las energías”.
Las medidas de ahorro energético establecidas, se especifica en la Figura 1; y se pueden enumerar como:
Mejora en la eficiencia energética de los edificios: sistemas de generación y redes de tuberías de frío y calor.
Reducción de la demanda de energía: control de las instalaciones térmicas y contabilización de consumos.
Integración de energías renovables: limitación de energías convenciones y aprovechamiento de renovables.
Recuperación de energía.
Refiriéndonos exclusivamente al sistema de recuperación de energía, existen varios métodos para reducir el impacto y aumentar la eficiencia, entre los que destacamos el uso de la recuperación de energía del aire de extracción.
3 La normativa indica que la recuperación de energía del aire de extracción será necesaria cuando en los sistemas de climatización de los edificios, el caudal de aire expulsado al exterior por medios mecánicos sea superior a 0,5 m³/s. Estableciendo unas eficiencias mínimas de recuperación en calor sensible sobre el aire exterior y unas pérdidas de presión máximas, descritas en la Tabla 1.
Tabla 1: Eficiencia de la recuperación [2].
Horas anuales de funcionamiento
Caudal del aire exterior (m3/s)
De 0,5 a 1,5 De 1,5 a 3 De 3 a 6 De 6 a 12 Más de 12 % Pa % Pa % Pa % Pa % Pa Menos de 2000 40 100 44 120 47 140 55 160 60 180 De 2000 a 4000 44 140 47 160 52 180 58 200 64 220 De 4000 a 6000 47 160 50 180 55 200 64 220 70 240 Más de 6000 50 180 55 200 60 220 70 240 75 260
1.3
C
ALIDAD DEL AIRE INTERIOR(IAQ)
El Código Técnico de la Edificación nos orienta a reducir la demanda energética asociada a la ventilación, la cual es necesaria para poder mantener un nivel adecuado de calidad del aire interior.
E. Velasco Gómez y F.J. Rey Martínez definen la calidad del aire interior como “la naturaleza del aire que afecta la salud y el bienestar de los ocupantes de dicho espacio interior” [1]. La IAQ debe proporcionar a los ocupantes de un edificio un aire fresco y saludable, además de seguro para los materiales y la estructura del edificio en cuanto a niveles de humedad. La humedad puede controlarse mediante el uso combinado de la ventilación y el control sobre la fuente contaminante [4].
Los tipos de aire, especificados en el apartado 1.3.1 caracterizan los distintos modelos de aire que existen dentro de un edificio y en un sistema de ventilación, de entre ellos el IDA, que se define como el aire interior de un local.
Unos de los métodos para conseguir mantener una adecuada calidad del aire interior en el edificio consistirá en renovar el aire interior. La normativa establece unas necesidades mínimas de ventilación que dependerán del tipo de edificio y su empleo. El aire introducido, además, deberá cumplir unos criterios de calidad.
1.3.1 Las especificaciones de los tipos de aire
Las especificaciones de los tipos de aire en edificios se especifican en la UNE-EN16798-3:2018 [5] y están representados en la Tabla 2.
4
Tabla 2: Tipos de aire en edificios [5].
Tipo de aire Abreviatura Definición
Aire exterior ODA Aire que entra, a través del sistema o de una abertura, desde el exterior antes de cualquier tratamiento del aire.
Aire de impulsión SUP Flujo de aire que entra en el local tratado, o aire que entra en el sistema después de cualquier tratamiento.
Aire interior IDA Aire en el local o zona tratada.
Aire transferido TRA Aire interior que pasa de un local tratado a otro local tratado.
Aire de extracción AE Flujo de aire que sale del local tratado y entra en el sistema de tratamiento de aire.
Aire de recirculación
RCA Aire extraído que retorna al sistema de tratamiento de aire y se reutiliza como aire de impulsión.
Aire de expulsión EHA Flujo de aire que sale del sistema de tratamiento de aire de extracción y se descarga a la atmósfera.
Aire secundario SEC Flujo de aire tomado de un local y retornado al mismo local después de cualquier tratamiento.
Fuga LEA Flujo de aire no deseado a través de los puntos de fugas del sistema.
Infiltración INF Fuga de aire que entra en un edificio a través de los puntos de fuga de los elementos de la estructura, flujo de aire no deseado procedente del exterior
Exfiltración EXF Fuga de aire que salen de un edificio a través de los puntos de fuga de los elementos de la estructura, flujo de aire no deseado hacia el exterior
Aire de mezcla MIA Aire que contiene dos o más corrientes de aire.
Aire exterior de un local individual
SRO Aire que entra para un único local, a través de la unidad de tratamiento de aire o por una abertura, desde el exterior antes de cualquier tratamiento del aire.
Aire de impulsión de un local
individual
SRS Flujo de aire que entra en el local tratado.
Aire de extracción de un local
individual
SET Flujo de aire que sale del local tratado hacia la unidad de tratamiento de aire de un único local.
Aire de expulsión de un local
individual
SEH Flujo de aire descargado a la atmósfera desde la unidad de tratamiento de aire de un único local.
El RITE [2], especifica las categorías de calidad de aire interior (IDA) necesarios en edificios dependiendo de su tipo de actividad:
5
IDA 1 (aire de óptima calidad): hospitales, clínicas, laboratorios y guarderías.
IDA 2 (aire de buena calidad): oficinas, residencias (locales comunes de hoteles y similares, residencias de ancianos y de estudiantes), salas de lectura, museos, salas de tribunales, aulas de enseñanza y asimilables y piscinas.
IDA 3 (aire de calidad media): edificios comerciales, cines, teatros, salones de actos, habitaciones de hoteles y similares, restaurantes, cafeterías, bares, salas de fiestas, gimnasios, locales para el deporte (salvo piscinas) y salas de ordenadores.
IDA 4 (aire de calidad baja).
Por otra parte, la categoría del Aire de impulsión (SUP) influye de forma directa en la calidad del aire interior. El aire de impulsión a su vez va a depender de las etapas de filtración, las cuales dependen del aire exterior (ODA) y de la categoría del aire interior (IDA), en la Tabla 3 se especifican las clases de filtración de aire mínimas que se deben emplear en edificios.
Tabla 3: Clases de filtración [2].
Calidad del aire exterior
Calidad del aire interior
IDA 1 IDA 2 IDA 3 IDA 4
ODA 1 F9 F8 F7 F5+F7
ODA 2 F7+F9 F6+F8 F5+F7 F5+F6
ODA 3 F7+F9+GF F7+F9+GF F5+F7 F5+F6
Las categorías del aire exterior dependen de la ubicación del edificio, por esta razón, el Documento Técnico de Instalaciones en la Edificación DTIE 2.05 [6] establece las distintas valores de ODA de las principales capitales de provincia. Las categorías posibles se pueden ver en la Tabla 4.
Tabla 4: Categorías del aire exterior [5].
Categoría Descripción
ODA 1 Aire exterior que se puede ensuciar sólo temporalmente.
ODA 2 Aire exterior con concentraciones altas de partículas y, o de gases contaminantes.
ODA 3 Aire exterior con concentraciones muy altas de gases contaminantes y, o de partículas.
Las categorías del aire de extracción (AE), son definidas en el RITE [2] dependiendo de la actividad que se desarrolle en el local:
AE 1 (bajo nivel de contaminación): aire que procede de los locales en los que las emisiones más importantes de contaminantes proceden de los materiales de construcción y decoración, además de las personas.
6 Está excluido el aire que procede de locales donde se permite fumar. Están incluidos en este apartado: oficinas, aulas, salas de reuniones, locales comerciales sin emisiones específicas, espacios de uso público, escaleras y pasillos.
AE 2 (moderado nivel de contaminación): aire de locales ocupado con más contaminantes que la categoría anterior, en los que, además, no está prohibido fumar. Están incluidos en este apartado: restaurantes, habitaciones de hoteles, vestuarios, aseos, cocinas domésticas (excepto campana extractora), bares, almacenes.
AE 3 (alto nivel de contaminación): aire que procede de locales con producción de productos químicos, humedad, etc.
Están incluidos en este apartado: saunas, cocinas industriales, imprentas, habitaciones destinadas a fumadores.
AE 4 (muy alto nivel de contaminación): aire que contiene sustancias olorosas y contaminantes perjudiciales para la salud en concentraciones mayores que las permitidas en el aire interior de la zona ocupada.
Están incluidos en este apartado: extracción de campanas de humos, aparcamientos, locales para manejo de pinturas y solventes, locales donde se guarda lencería sucia, locales de almacenamiento de residuos de comida, locales de fumadores de uso continuo, laboratorios químicos.
1.4
V
ENTILACIÓNLa ventilación es necesaria para conseguir una buena calidad del aire interior [7]. El proceso de ventilación suministra aire limpio y elimina el aire viciado del interior para proporcionar oxígeno, diluir contaminantes y si es posible controlar la temperatura y la humedad [8]. Algunas de las variables de las que depende la ventilación son [1]:
1. Caudal de aire: Cuantificación del aire, medida en cantidad de volumen por tiempo. 2. Eficiencia de la ventilación: que a su vez dependerá del tipo de la distribución del aire
(por mezcla o desplazamiento), de la localización de las fuentes contaminantes, de las características térmicas y concentración del aire y de la ubicación de la extracción e impulsión del aire.
3. Renovaciones o cambios de aire: cantidad de aire necesario para renovar por completo el volumen de aire del local.
4. Edad del aire: cuantifica el tiempo en que el aire ha estado dentro del local.
El caudal mínimo de ventilación necesario en edificios está estipulado en distintas normativas dependiendo del tipo de edificio. Para edificios residenciales, garajes y aparcamientos habrá que seguir el CTE y más específicamente el DB-HS [9], para edificios industriales el Real Decreto 487/1997 [10] y para el resto de edificios no residenciales los métodos proporcionados por el RITE [2].
En cuanto a los tipos de ventilación, puede ser [8]:
Natural: Ingreso del aire por medios naturales debido a diferencias de presión o temperatura.
Mecánica: utiliza medios electromecánicos para incorporar o extraer aire a un ambiente. Puede trabajar con sólo impulsión, sólo extracción o con ambas.
7 La ventilación, además, puede afectar solo a su distribución y difusión o ser tratada para climatización.
El proceso de climatización tiene como objetivo generar y mantener unas condiciones adecuadas de confort para los ocupantes en los distintos edificios [1]; de entre todas las instalaciones posibles en climatización, para el tratamiento de aire se utilizan las Unidades de Tratamiento de Aire o UTAs.
En la Figura 2 se puede ver la configuración particular de una UTA, aunque existen muchas otras configuraciones y componentes que se pueden utilizar. Algunos de los posibles componentes de una UTA son:
Humidificador adiabático.
Recuperador de energía.
Baterías de calentamiento y enfriamiento.
Cámara de mezcla.
Ventiladores.
Filtros.
Compuertas.
Sistemas de control
Figura 2: Componentes en una configuración particular de una UTA [11].
En el caso de utilizar una sección de recirculación de aire, hay que tener en cuenta que la normativa [2] sólo permite la recirculación de aire de categoría AE 1 (exento de humo de tabaco) y de AE 2 como aire de transferencia entre un local hacia servicios, aseos y garajes.
1.5
M
EDIDAS DE AHORRO ENERGÉTICO COMPATIBLES CON LAIAQ
Si queremos mantener una alta calidad del aire interior, tendremos necesidades de ventilación, lo que implicará un aumento en el consumo energético del edificio.
Para compatibilizar una correcta calidad del aire interior con la eficiencia energética necesaria de los sistemas de climatización del edificio, se pueden utilizar medidas de ahorro energético como las descritas por en la Tabla 5.
8
Tabla 5: Medidas de ahorro energético compatibles con la IAQ.
Medida energética Impacto sobre la IAQ
Mejor eficacia de ventilación Asegurar exactamente las renovaciones requeridas (reducir infiltraciones)
Mejora en los ventiladores, etc Nulo
Recuperación de energía Reducir la carga por la ventilación requerida
Free-cooling Posibilidad de aumentar los caudales de ventilación sin aumentar la carga
Ventilación nocturna en verano Renovación del aire interior además de refrescar Mantenimiento de sistemas
HVAC
Reducción de la contaminación por esta fuente, además de mejorar su eficiencia
Control de la presión Regulación de las infiltraciones incontroladas Modificar la temperatura de
impulsión
Según las condiciones exteriores, maximizando la eficiencia energética manteniendo los caudales de ventilación
Ventilación controlada por concentración de CO2
En locales de ocupación variable, evitar la necesidad de mantener ventilación continuada
La recuperación es por tanto uno de los factores más influyentes para un mejor aprovechamiento de la energía.
Será útil su uso, entre otros métodos, para mantener una calidad del aire interior alta, reduciendo la pérdida de eficiencia energética en los sistemas de climatización de los edificios.
Precisamente este documento tiene como objetivo cuantificar las fugas existentes en un tipo de recuperador de energía, en concreto en un recuperador rotativo sensible, para con ello poder maximizar la recuperación energética y minimizar la transferencia de contaminantes entre corrientes. Mediante el conocimiento de estas fugas los fabricantes o los técnicos de control de estas unidades podrán diseñar y establecer unas condiciones adecuadas para su óptimo aprovechamiento.
9
2
E
STADO DE LA TÉCNICA
La recuperación de energía es un proceso que aprovecha parte de la energía residual de otro proceso; de esta forma se intenta optimizar al máximo el uso de la energía a nivel global. Una de las formas de recuperar energía es mediante el uso de intercambiadores de calor, estos dispositivos son muy utilizados en la industria química, metalúrgica y de climatización, entre otras [12].
Se puede hacer una clasificación de los intercambiadores de calor en función de la separación que exista entre los fluidos de trabajo, según la cual diferenciamos entre intercambiadores de contacto directo e indirecto. En estos últimos existe una matriz que separa los fluidos entre los que se intercambia calor, cuya superficie limita el proceso de trasferencia. Por otra parte, los intercambiadores de contacto directo intercambian calor sin matriz de por medio mediante la mezcla de sus corrientes [12].
Entre los intercambiadores indirectos, podemos distinguir los regenerativos, que utilizan un cuerpo intermedio de transferencia y los fluidos circulan por el mismo espacio de forma alternativa; y los recuperativos, que intercambian calor a través de una superficie que separa ambas corrientes.
Otra forma de clasificarlos es en función de la configuración de sus corrientes, según la cual podemos diferenciar entre intercambiadores de flujo cruzado y paralelo, ambos representados en la Figura 3. En caso de que las corrientes sean paralelas, distinguimos entre intercambiadores en equicorriente, si los flujos tienen el mismo sentido, y en contracorriente, si los flujos tienen el sentido contrario.
Figura 3: Tipos de recuperación según la configuración de sus corrientes [13].
2.1
R
ECUPERADORES DE ENERGÍA EN CLIMATIZACIÓNLa recuperación de energía más importante en el proceso de climatización es el aprovechamiento de la energía residual asociada al aire de retorno, el cual se encuentra viciado, pero en condiciones de confort térmico. Tiene como objetivo maximizar la eficiencia del sistema por lo que deberá ser únicamente usado cuando sea propicio [1]. Además, para que sean económicamente rentables necesitaremos de altos y continuos caudales de ventilación y grandes saltos térmicos con el exterior.
La energía residual del proceso de climatización estará contenida en el aire de extracción, por lo que para su recuperación será necesario el uso de ventilación mecánica bidireccional (extracción e impulsión). De esta forma, en las UTAs podremos utilizar parte del calor y de la humedad de la corriente de retorno y aprovecharlos en la impulsión. Así, la energía recuperable
10 puede ser tanto sensible como latente y su aprovechamiento dependerá del tipo de recuperador que escojamos y de las características de las corrientes.
Comercialmente, cuando se habla de recuperadores sensibles nos referimos a HRVs (Heat Recovery Ventilators), mientras que cuando recuperemos tanto energía sensible como latente hablaremos de ERVs (Energy Recovery Ventilators) o recuperadores entálpicos [14].
2.1.1 Fundamentos de un recuperador de energía
Este apartado de trabajo se centra en la recuperación de energía de una corriente de aire húmedo. La ciencia que estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo es la psicrometría. En este documento, para el análisis de las propiedades y procesos térmicos de la mezcla aire-vapor se han seguido los conceptos psicométricos del Documento Técnico de Instalaciones en la Edificación DTIE 3.01 [15].
Un recuperador de calor extrae energía de la corriente de extracción para cederla a la de impulsión. La energía que se puede recuperar depende de las propiedades de las corrientes de aire húmedo (flujo de aire, humedad, temperatura) y de las características del recuperador. La Figura 4 representa de forma simplificada el desarrollo de las corrientes en un recuperador a contracorriente.
Figura 4: Representación de un recuperador de flujo paralelo a contracorrriente.
Un sistema de recuperación de energía está caracterizado principalmente por su eficiencia, siendo esta la relación entre la potencia recuperada y la máxima recuperable por el intercambiador:
𝜀 = 𝑄̇𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑄̇𝑚𝑎𝑥
∗ 100
(E-1)
Siguiendo el esquema de recuperador propuesto en la Figura 4, la eficiencia del recuperador será:
11 𝜀 =𝑄̇𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑄̇ 𝑚𝑎𝑥 ∗ 100 =
𝑚̇𝑖𝑚𝑝 ∗ (ℎ3− ℎ1)
𝑚̇𝑚𝑖𝑛∗ (ℎ2− ℎ1)∗ 100 (E-2)
Si hablamos específicamente de las eficiencias sensibles o latentes, distinguimos: 𝜀𝑠 =𝑄̇𝑠,𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑄̇𝑠,𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 𝑚̇𝑖𝑚𝑝∗ 𝐶𝑝,𝑖𝑚𝑝∗ (𝑇3− 𝑇1) (𝑚̇ ∗ 𝐶𝑝) 𝑚𝑖𝑛∗ (𝑇2− 𝑇1) (E-3) 𝜀𝑙= 𝑄̇𝑙,𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑄̇𝑙,𝑚𝑎𝑥 =𝑚̇𝑤,𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚̇𝑤,𝑚𝑎𝑥 (E-4)
La efectividad de un recuperador se suele usar para predecir el comportamiento del recuperador bajo diferentes condiciones. Para el cálculo de esta efectividad se utilizan datos experimentales o correlaciones que han sido verificadas por fuentes documentales [14].
2.1.2 Consideraciones técnicas de los recuperadores de calor
El comportamiento de un recuperador de calor no siempre es el ideal, ya que existen diversos factores que pueden afectar al comportamiento en servicio de estos dispositivos.
La ASHRAE (Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado) [14] define varias consideraciones a tener en cuenta en los recuperadores de calor en la climatización, las cuales se describen en detalle a continuación.
Fugas
Se considera fuga a todo aire que sale o entra en alguna de las corrientes que intervienen en la recuperación; especialmente importantes los flujos que pasen desde la impulsión a la extracción o viceversa.
Este tipo de flujos pueden significar un problema si en las corrientes de salida hay gases tóxicos u olorosos, limitando la aplicabilidad de la tecnología. Además, en caso de existir complican el estudio del funcionamiento de un recuperador.
Hay que tener en cuenta que, en caso de utilizar un recuperador en el que pudiera haber fugas entre corrientes, la normativa UNE-EN16798-3:2018 [5] establece que hay que evitarlas.
Capacidad de los ventiladores
La presencia de fugas en un recuperador hace que para una correcta elección de los ventiladores estas se tengan en cuenta; siendo necesario sobredimensionar los ventiladores para que su capacidad sea suficiente para albergar la cantidad de ventilación necesaria y las posibles fugas que pudieran existir.
Pérdida de presión
La pérdida de presión de los recuperadores debe ser vencida por los ventiladores de la instalación. El uso de compuertas que permitan el bypass cuando los recuperadores no estén funcionando pueden reducir de forma significativa el consumo de la instalación.
12
Mantenimiento y suciedad
Un correcto mantenimiento del recuperador es necesario para que su funcionamiento se mantenga de forma óptima. Los métodos de limpieza y la periodicidad de la misma son diferentes dependiendo del tipo de recuperador y del uso que tenga.
La suciedad normalmente reduce los coeficientes de transferencia de calor y aumenta la pérdida de carga de los recuperadores.
Filtración
Una correcta filtración previa a los recuperadores evita que estos se ensucien de forma rápida.
Control
Dependiendo de las condiciones externas al recuperador puede no ser útil el uso de recuperación en un momento en concreto; para ello se deben tener controlados en todo momento los parámetros de recuperación y dictaminar las condiciones para su uso. Adicionalmente, un adecuado control permitirá prevenir riesgos de condensación, en el caso de no estar preparado para ello el recuperador particular, e incluso de congelación.
Corrosión
La elección correcta de los materiales en un recuperador será vital para evitar la corrosión del mismo, para lo cual se debe conocer la aplicación particular del equipo. De no ocurrir así, pueden producirse fugas, y una reducción en la transferencia de calor.
La corrosión puede ser un factor muy importante en recuperadores en los que se produzca condensación.
Condensación y riesgo de congelación.
Dependiendo de las condiciones de funcionamiento, pueden producirse situaciones en las que exista riesgo de condensación del vapor de agua de una de las corrientes. Para aquellas aplicaciones en las que exista dicha posibilidad, el recuperador debe disponer de un sistema para recoger y drenar el vapor de agua condensado. El aprovechamiento del calor desprendido por el agua al condensar puede ser muy útil puesto que se utiliza la energía de cambio de fase; sin embargo, no todos los recuperadores pueden trabajar en esas condiciones.
Para el caso de recuperadores que trabajen en condiciones de posible congelación, los requisitos son más elevados. En caso de producirse, la congelación puede deformar el intercambiador, suponiendo incluso la pérdida de estanqueidad del mismo con la consiguiente mezcla de corrientes.
2.1.3 Tipos de recuperadores de calor en climatización
Los principales tipos de recuperadores utilizados en las instalaciones de climatización por aire son los recuperadores de placas y los rotativos, pero existen otros tipos de recuperadores. Se describen estos a continuación.
Recuperador de placas
Intercambiador con una carcasa rectangular abierta en los extremos, cuya sección interior está compuesta por matrices de placas con conductos en dos direcciones por donde fluyen las corrientes. En la Figura 5 se puede ver una representación del mismo.
13
Figura 5: Recuperador de placas [14].
Las placas ejercen de medio de intercambio de energía, estas placas tienen una amplia superficie de trasferencia. Dependiendo del material que se utilice este intercambio será sólo sensible o también latente.
Las principales ventajas es que son equipos estancos gracias al uso de resinas, son compactos y pueden trabajar con condensación; aunque, por otra parte, tienen riesgo de congelación y alta pérdida de carga.
Recuperador rotativo
Es un intercambiador regenerativo con una carcasa que contiene un tambor rotatorio que gira y está compuesto por un material permeable al aire. Está dividido en varias secciones sobre las que el aire pasa alternativamente, así, en una sección una corriente de aire cederá energía al material que será absorbida por la otra corriente en otra sección. En la Figura 6 se puede ver de forma más representativa su funcionamiento.
14 Debido al propio giro de la rueda, parte del flujo se intercambia entre corrientes. Por este motivo se suele utilizar una sección de purga en donde parte del aire de impulsión (limpio) elimina el flujo que fuera a pasar de la extracción (sucio). Sin embargo, este proceso, además de aumentar el consumo de la instalación no siempre va a ser ideal. El intercambio de energía puede ser sensible y latente, dependiendo del material del que esté formado el rotor.
Las ventajas principales de este tipo de intercambiadores son su alta eficiencia y la posibilidad de regulación de la velocidad y giro del rotor. Su desventaja principal es la presencia de fugas y debido a ello la necesidad de uso de una sección de purga.
En el apartado 2.2 se explica de forma más detallada el funcionamiento de un recuperador rotativo sensible, que únicamente variará con respecto al entálpico en la posible transferencia de humedad de una corriente a otra debido al uso de material higroscópico en el rotor.
Recuperador de dos baterías con bomba
Como su propio nombre indica, se trata de dos baterías de tubos aleteados, cada una en contacto con una corriente, conectadas por un circuito de un fluido caloportador. La bomba es necesaria para hacer fluir al líquido por el circuito de transferencia.
Figura 7: Recuperador de dos baterías con bomba [1].
Las principales ventajas de este tipo de recuperadores son que no existe mezcla de corrientes, que son flexibles ante distancias elevadas entre las corrientes de intercambio y que se puede controlar el fluido caloportador. Como desventajas, que únicamente se puede transferir energía sensible, la corrosión y la pérdida de eficiencia debida al doble intercambio de energía.
Recuperadores evaporativos indirectos
Para aumentar los saltos de temperatura de intercambio en período estival, se humidifica adiabáticamente la corriente de extracción para posteriormente aprovechar la energía cedida mediante la condensación de esa agua en el recuperador a la impulsión. En un intercambiador será donde se realice la transferencia de energía entre corrientes y en donde se condense el agua de la corriente de extracción en caso de existir, en la Figura 8 se ve el funcionamiento de un
15 sistema con recuperación evaporativa indirecta. Durante el invierno, no funcionará como recuperador evaporativo.
Figura 8: Sistema con recuperador evaporativo [1].
Recuperador con tubo de calor
Batería de tubos huecos aleteados en la que existe vacío y que está relleno con un líquido de trabajo. Su interior se divide en dos secciones, una actúa como evaporador y otra como condensador. Se pueden encontrar en la modalidad de Heat Pipe o termosifón (Figura 9).
Figura 9: Recuperador tipo Heat Pipe y termosifón [1].
Sus ventajas son su baja inercia térmica y que no hay mezcla de corrientes ni alimentación eléctrica. Por otra parte, son muy caros y difíciles de diseñar.
Recuperador por circulación y rociado
Pone en contacto la corriente de impulsión y extracción a través de un fluido higroscópico que transfiere la energía latente y sensible a partir de su emisión rociada contracorriente en torres.
16
Figura 10: Recuperador de circulación y rociado [1].
En la Tabla 6 se definen los valores característicos de estos recuperadores.
Tabla 6: Valores característicos de los recuperadores más importantes [14].
De placas sensible De placas entálpico Sensible rotativo Rotativo entálpico Heat Pipe Termosifón Dos baterías con bomba Por circulación y rociado Efectividad sensible (%) 50-75 55-75 65-80 65-80 40-60 40-60 45-65 40-60 Efectividad latente (%) 0 25-60 0 50-80 0 0 0 50-75 Efectividad total (%) 20-50 35-70 25-60 55-80 15-35 - - 40-75 Rango de temperaturas (ºC) (-60)-800 (-40)-60 (-55)-800 (-55)-800 (-40)-93 (-40)-40 (-45)-500 (-40)-46 Velocidad del aire (m/s) 1-5 1-3 2-5 2,5-5 2-4 2-4 1,5-3 1,5-2,2 Pérdida de presión (Pa) 100-1000 100-500 100-300 100-300 150-500 150-500 150-500 170-300 Posibilidad de fugas Si 0%-5% Si 0%-5% Si 1%-10% Si 1%-10% No No No No
17
Otros tipos de recuperación de energía
Además de los intercambiadores de calor mencionados anteriormente, existen otras estrategias de recuperación de energía en climatización basadas en el uso de Sistemas como Bomba de Calor o Volumen de Refrigerante Variable; entre otras. Al no tratarse de recuperadores de calor no son objeto de estudio de este trabajo.
2.2
R
ECUPERADOR ROTATIVO SENSIBLEEl recuperador sensible rotativo, como ya se ha definido en el apartado 2.1.3, es un intercambiador aire/aire recubierto con un armazón que contiene una rueda giratoria (rotor) que a su vez contiene un material poroso al aire. Habitualmente está compuesto por dos secciones de paso, impulsión y extracción; y una sección de purga. Son dispositivos no solo usados para recuperación en climatización ya que pueden ser usados en otras aplicaciones industriales.
Figura 11: Recuperador rotativo sensible [1].
Su funcionamiento consiste en el movimiento del aire a través de sus respectivas secciones mientras gira el rotor. La corriente de aire más caliente transmitirá energía al material del rotor, el cual al girar ocupará la posición en la otra sección y transmitirá esa energía a la otra corriente, el proceso se puede considerar estacionario.
El material que hace de matriz de transferencia no tiene ningún tipo de tratamiento que le haga poseer propiedades higroscópicas, ya que únicamente se requiere transferir energía sensible. Esta es la característica que le diferencia de los recuperadores rotativos entálpicos, en los que se utilizan materiales higroscópicos para que se transfiera también energía latente.
En invierno, si el aire de extracción alcanza la temperatura de rocío, condensará y sí que habrá una trasferencia latente entre ambas corrientes. En caso de que exista, será necesario el uso de dispositivos que drenen el agua que pueda acumularse y de materiales que permitan esta condensación sin afectar a sus características.
En cuanto a la sección de purga, por el propio giro del tambor, hay cierta transferencia de flujo entre corrientes en los límites entre secciones. El funcionamiento consiste en utilizar parte del flujo de impulsión, para expulsar al exterior el aire limítrofe que fuera a pasar a la otra corriente. En la Figura 12 se puede ver con mayor claridad.
18
Figura 12: Recuperador rotativo con detalle en la sección de purga [1].
Para que el funcionamiento de la sección de purga sea el correcto, el recuperador debe de funcionar a contracorriente y se deben elegir las variables geométricas de forma que la corriente de impulsión sea capaz de eliminar todo el flujo de extracción antes de que pase al sector de impulsión. Una de las variables a controlar será la velocidad de rotación del rotor, que puede ser constante o variable e influirá en la cantidad de flujo purgado y en la eficiencia del recuperador, ya que aumenta a medida que lo hace la velocidad de giro, aunque llegados a un punto de estabiliza [16].
Las ventajas de los recuperadores rotativos son que tienen una mayor superficie de transferencia por unidad de volumen [17], que son muy compactos [18] y que la cantidad de transferencia de calor se puede regular simplemente ajustando la velocidad de giro del mismo [19].
Por el contrario, la posibilidad de la existencia de fugas puede limitar su uso ya que en ciertas aplicaciones no se puede tolerar ningún riesgo de contaminación del aire de entrada con el aire de salida. Para evitar estas, se usa un sector de purga como se ha mencionado anteriormente, aunque este provoca una pérdida de energía y eficiencia [19]. Además de las fugas de arrastre entre corrientes debido al propio giro del rotor, existen otras posibles fugas en un recuperador rotativo, las cuales se definen en el siguiente apartado 2.2.1.
2.2.1 Fugas en un recuperador rotativo sensible
Las fugas en un recuperador rotativo sensible se pueden definir como todo flujo que se introduce o escapa entre alguna de las corrientes que intervienen en la recuperación; y las podemos clasificar según la ASHRAE [14] en:
19
Fugas de arrastre
Son debidas al movimiento rotacional del recuperador de forma que, al rotar, parte de una corriente pasa a la otra [14].
Ocurren en ambos lados del recuperador, aunque para que no exista una gran cantidad de flujo que pase de la extracción a la impulsión (para evitar la transferencias de contaminantes a esta) se suele utilizar una sección de purga en el recuperador, que utiliza parte del flujo de impulsión para limpiar la zona de extracción que pasaría por rotación [20] [21], como se puede ver en la Figura 13 y en la Figura 14. Le elección correcta del ángulo de esta sección nos proporcionará menores pérdidas; aunque, a pesar de ello, seguirá habiendo parte del flujo de extracción que acabará en la impulsión, debido a que el flujo no será completamente laminar [20].
La dirección de giro del recuperador es clave para que esta purga tenga sentido, de hacerlo en sentido contrario se estarían perdiendo todas las ventajas que esta proporciona, a la vez que se está reduciendo el área de intercambio y desaprovechando parte de la corriente de impulsión.
Figura 13: Sección de purga [19].
20
Fugas directas.
Flujo debido a la diferencia de presión estática entre ambas corrientes. Suele ocupar el mayor porcentaje del total de fugas [14] [23] [24]; y pueden dividirse entre axiales, radiales y perimetrales (Figura 15), estas últimas son las equivalentes a las de bypass.
Su valor varía dependiendo del tamaño de la abertura o hueco, que a su vez depende del tipo de ajuste con las juntas o escobillas que se utilicen (Figura 16) y de la temperatura en ese momento del rotor y las juntas, que puede provocar una distorsión que genere huecos [25] [21]. En el caso de las fugas perimetrales, estas no entrarán en acción en el recuperador, puesto que lo rodean por fuera, sin embargo, si el volumen intermedio entre la carcasa y el recuperador es común para la impulsión y la extracción; y este no está conectado con el exterior, todo el flujo que pase a través de la junta perimetral acabará por diferencia de presiones saliendo por la junta perimetral del lado de menor presión.
21
Figura 16: Huecos de fuga [27].
Para que no haya transferencia de contaminantes desde la extracción a la impulsión debido a estas fugas, la normativa UNE-EN 16798-3:2018 [5] nos indica que la presión del aire de extracción debe de ser menor que la presión de impulsión cuando la categoría de esta sea EA 3 o EA 4; o siempre que la categoría del aire de extracción sea superior a la de los locales que suministran aire al dispositivo
Fugas directas de bypass
En el caso en que el volumen intermedio entre la carcasa y el recuperador sea distinto para la impulsión y la extracción, todo el flujo que pase a través de las juntas perimetrales (sin entrar en acción en el recuperador) se mezclará con su misma corriente después del recuperador; siempre y cuando no haya una salida en la carcasa que provoquen su escape hacia el exterior. Estas fugas suelen ser de valor pequeño, puesto que la diferencia de presiones no suele ser excesiva [24] [21].
Un ejemplo de la proporción de cada tipo de fuga para un caso concreto es la que se representa en la Figura 17, en donde T. Skiepko [23] caracteriza estas fugas despreciando el posible efecto que producen las fugas de bypass. Realmente la proporción de cada tipo de fugas es variable en función de las condiciones de operación y del recuperador que se utilice, por lo que será necesario analizar individualmente cada caso.
22
Figura 17: Proporción de cada tipo de fuga para un ejemplo concreto [23].
Un buen ajuste entre las juntas axiales, radiales y perimetrales puede reducir la cantidad de fugas en un recuperador. En general, los huecos radiales son más pequeños que los huecos en dirección axial, además a la hora del realizar el ajuste deberemos tener en cuenta las temperaturas que se alcanzan en el rotor para atender a las distorsiones provocadas por este cambio [24]. Hay que tener en cuenta que, con que con el paso del tiempo, el sistema de juntas o escobillas se deteriora y genera aún más fugas [21].
Con el rotor caliente, los huecos en dirección radial aumentan en la parte más cercana al eje de giro y se reducen al final. Mientras que con el rotor frío los huecos son aproximadamente uniformes y cuentan una superficie mayor que con el rotor caliente [25].
Para mantener una óptima calidad del aire interior dentro de un edificio, es necesaria una correcta ventilación que debe cumplir con unos requisitos mínimos de calidad. En un recuperador en el que existan fugas la mezcla entre corrientes empeorará la calidad del aire de impulsión con los contaminantes del aire de extracción. El proceso contrario, sin embargo, no genera ningún problema de contaminación puesto que toda la cantidad de aire de impulsión que pase a la extracción será expulsada al exterior de nuevo; sí supondrá una pérdida de eficiencia del proceso, por lo que deberá igualmente evitarse.
Este documento tiene como objeto la caracterización de estas fugas, para con ello poder escoger las condiciones de operación adecuadas para aumentar la eficiencia y el rendimiento del sistema de recuperación; y/o poder reducir la transferencia de contaminantes entre las corrientes.
2.3
E
STUDIOS PREVIOS DE CARACTERIZACIÓN DE FUGAS EN UN RECUPERADOR ROTATIVO SENSIBLE En esta sección se va a describir la bibliografía que se ha consultado referente a la cuantificación de fugas en recuperadores rotativos. Múltiples autores han incluido el estudio de fugas teniendo en cuenta todas o solo algunas de ellas; por ello se especifican los distintos métodos de cuantificación que utilizan y se comentan aquellos autores y obras que los contemplan.23 La ASHRAE [14] indica dos términos para estimar las fugas, que son: el ratio de transferencia del aire de extracción (EATR) y el ratio de ventilación necesaria en la impulsión (OACF). Siguiendo el mismo esquema de recuperador que en la Figura 4, estos términos serían:
𝐸𝐴𝑇𝑅 =𝑐3− 𝑐1
𝑐2− 𝑐1 (E-5)
𝑂𝐴𝐶𝐹 =𝑚̇1
𝑚̇3 (E-6)
Siguiendo el mismo procedimiento, a partir de medida del flujo másico de las corrientes y de la concentración de sus componentes; o del gas trazador utilizado, los autores M. Bhowmick et al [18] y B. Drobnic et al [24] estudian las fugas en este tipo de recuperadores.
A. Maharaj et al [21], T. Skiepko [25] [28] [23] [27] [29], R.K. Shah et al [30] [26], H. J. Chung [31], M. Cai et al [32], K. Wang et al [29], X. Du [33] y E. Guillem [34] caracterizan las fugas directas y de bypass en un recuperador cuyo esquema de fuga es el de la Figura 16, mediante valores experimentales típicos en un recuperador rotativo obtenidos en otros estudios y la diferencia de presiones estáticas entre ambos conductos a partir de la ecuación E-7. Este fenómeno se puede asemejar al paso de aire a través de una válvula.
𝑚̇𝑓= 𝑘 𝐶𝑠 𝐴ℎ√2∆𝑃𝜌/𝑍
(E-7)
Esta ecuación, también se puede describir en función de un parámetro K de pérdidas, que engloba a algunos de los términos de la fórmula anterior; y del volumen específico, el cual es el inverso de la densidad.
𝑚̇𝑓=
√∆𝑃 𝐾
𝑣 (E-8)
El valor numérico de K se puede considerar constante para un amplio rango de flujos, aunque existen factores que pueden influir sobre él. Su valor puede definirse experimentalmente para cada recuperador en función de sus parámetros de operación [34].
Los autores W. Shang [20], T. Skiepko [28] [23] [27], R.K. Shah et al [30] [26], X. Du et al [33], P. J. Banks [35] y la ASHRAE [14] cuantifican las fugas de arrastre como el flujo volumétrico igual al desplazado por la rueda al girar, el cual depende de variables geométricas del intercambiador y de su velocidad.
Por último, T. Skiepko [28] [23] [27] y junto con R. K. Shah [26] cuantifican las fugas a partir de balances de masa y energía de las corrientes y de sus componentes. Definen un modelo de fugas, representado en la Figura 18, que incluye las fugas en un recuperador rotativo así como los sentidos de estas.
24
25
3
E
STUDIO TEÓRICO
La caracterización de fugas en un recuperador sensible rotativo se va a realizar a partir de un modelo matemático, en el que, para su resolución, se tendrán en consideración algunos de los métodos desarrollados en estudios previos existentes, los cuales son descrito en el apartado 2.3. El objetivo del estudio es la cuantificación de fugas a partir de las medidas de humedad de las corrientes. Por ello se necesitará alguna instrumentación que permita el registro de esta humedad dentro del sistema. Habitualmente, este tipo de instrumentación registra la humedad relativa y la temperatura seca de su entorno. Además, será necesario conocer la geometría y especificar las condiciones de operación del recuperador utilizado, es decir, los caudales de trabajo, las presiones de impulsión y retorno; y la velocidad de giro.
Este estudio estará limitado a recuperadores rotativos sensibles de 2 secciones (impulsión y retorno) con una purga, como el representado en la Figura 19, que son los dispositivos rotativos más habituales en un sistema de recuperación en climatización.
Figura 19: Recuperador rotativo de trabajo.
3.1
M
ODELO MATEMÁTICOEl esquema de fugas propuesto para el modelo matemático se muestra en la Figura 20.
En este esquema están representados los flujos principales de impulsión y extracción (ṁOA,
ṁSA, ṁRA, ṁEA) y las corrientes secundarias que interactúan con el recuperador (ṁOAR, ṁSAR,
ṁRAR, ṁEAR) según su disposición habitual en un sistema de recuperación.
En los puntos donde estos confluyen, interactúan con las fugas directas radiales (ṁfi, ṁfe) y de
bypass (ṁbpOA, ṁbpSA, ṁbpRA, ṁbpEA). Las fugas radiales fluirán a través de las escobillas radiales
del recuperador atravesando la separación que existe entre corrientes. Por otra parte, las fugas de bypass atravesarán las escobillas perimetrales accediendo al volumen intermedio entre el recuperador y la carcasa. Se ha supuesto que este volumen estará en contacto con el ambiente, como es habitual en este tipo de recuperadores, por lo que no existirá bypass entre los flujos de
26 impulsión y retorno, sino que descargarán directamente al ambiente. Debido a que las fugas directas se rigen por la diferencia de presiones estáticas entre los puntos donde ocurran, todos estos flujos pueden tener doble sentido y fluirán hacia el lado de menor presión.
Por último, dentro del recuperador encontramos: las fugas de arrastre propiamente dichas (ṁco),
las debidas al flujo de purga (ṁpco, ṁp) y las fugas directas dentro del recuperador o axiales
(ṁfa). Estas últimas pueden tener también doble sentido al tratarse de fugas de tipo directo.
Figura 20: Esquema inicial de fugas propuesto.
Puesto que algunos flujos pueden tener doble sentido, se va a esquematizar de nuevo el modelo, suponiendo el sentido de estos. Si en la resolución su valor es negativo, significará que el sentido real del flujo será el opuesto al representado en la Figura 21.
27 Las hipótesis consideradas para la resolución del modelo son las siguientes:
El volumen entre la carcasa y el recuperador está en contacto con el ambiente.
Comportamiento del aire húmedo como gas ideal, debido a la presión y temperatura con las que se trabaja.
El flujo de las corrientes es laminar.
El flujo de aire a través de las juntas o escobillas de separación se considera isoentálpico.
El proceso de mezcla entre corrientes es adiabático.
El recuperador y los conductos se encuentran aislados. Las únicas pérdidas de energía están asociadas a los flujos de fuga existentes entre estos y el ambiente.
Las características de las corrientes principales se consideran constantes a lo largo de los conductos hasta el recuperador. Se deprecia el efecto individual de las fugas sobre el total de la corriente.
El volumen específico de las corrientes dentro del recuperador, será la media entre sus valores a la entrada y a la salida del mismo.
Se desprecia el área que forman las juntas radiales en comparación con la del recuperador y la sección de purga.
3.1.1 Entrada de datos y cálculos generales
Los datos de entrada al modelo necesarios para su resolución son los que se enumeran a continuación:
Temperatura seca de las corrientes de entrada, salida y del ambiente (TOA, TSA, TRA, TEA,
Tamb).
Humedad relativa de las corrientes de entrada, salida y del ambiente (HROA, HRSA,
HRRA, HREA, HRamb).
Presiones de impulsión, retorno y del ambiente (Primp, Prret, Patm).
Datos geométricos del recuperador descritos en la Figura 22 y Figura 23: espesor, diámetro exterior e interior, ángulo de purga y porosidad (E, De, Di, θ, σ).
Datos de operación: caudales de impulsión y retorno; y velocidad de giro del recuperador (QSA, QRA, w).
Pérdida de carga en el recuperador (Pcimp, Pcret).
28
Figura 22: Datos geométricos del recuperador necesarios.
La porosidad (σ) del recuperador se puede definir como el cociente entre el área útil de paso y el área total del recuperador. En la Figura 23 se puede ver una de las formas que puede tener el corrugado que forma este área útil.
29 Esta porosidad puede ser calculada a partir de su geometría y será exclusiva de cada formato de recuperador, es por ello que se trata de un dato de entrada al modelo.
En primer lugar, calculamos el área de la sección de purga y de la totalidad del recuperador; para ello hay que tener en cuenta que hemos supuesto despreciable la superficie que forman las juntas radiales. 𝐴𝑇 = 𝜋 ∗ (𝐷𝑒2− 𝐷𝑖2 ) 4 (E-9) 𝐴𝑝 = 𝜋 ∗ (𝐷𝑒 2− 𝐷𝑖2 ) 4 ∗ 𝜃 360 (E-10)
La presión en los conductos (POA, PSA, PRA, PEA) en SA y RA será la misma que de impulsión y
retorno respectivamente; para conocer su valor al paso del recuperador únicamente tendremos que tener en cuenta la pérdida de carga de este.
𝑃𝑆𝐴 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 + 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑝 (E-11)
𝑃𝑅𝐴 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 + 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑡 (E-12)
𝑃𝑂𝐴 = 𝑃𝑆𝐴 + 𝑃𝑐𝑖𝑚𝑝 (E-13)
𝑃𝐸𝐴= 𝑃𝑅𝐴− 𝑃𝑐𝑟𝑒𝑡 (E-14)
Para calcular la humedad específica de las corrientes y del ambiente (XOA, XSA, XRA, XEA, Xamb)
tendremos que atender a conceptos de psicrometría, se han seguido los conceptos psicométricos del Documento Técnico de Instalaciones en la Edificación DTIE 3.01 [15]. La presión de saturación la calcularemos a partir de la ecuación de Antoine para el aire húmedo; la presión de vapor será función de la humedad relativa y la presión de saturación de cada corriente; y el valor de la humedad absoluta en función de sus presiones parciales y del cociente de sus pesos moleculares. 𝑃𝑠𝑎𝑡 = 𝑒(23,577−( 4042,9 (273+𝑇)−375,8)) (E-15) 𝑃𝑣𝑎𝑝 = 𝐻𝑅 100∗ 𝑃𝑠𝑎𝑡 (E-16)
30 𝑋 = 𝑃𝑚𝑣 𝑃𝑚𝑎𝑠 ∗ 𝑃𝑣𝑎𝑝 𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑣𝑎𝑝 (E-17)
También necesitamos conocer el volumen específico de las corrientes y del ambiente (vOA, vSA,
vRA, vEA, vamb), el cual hemos supuesto que se mantendrá constante a lo largo de los conductos
hasta el recuperador, y cuyo valor depende de la temperatura, presión absoluta, humedad específica de las corrientes y del valor de la constante de los gases para el aire y para el vapor de agua.
𝑣 =(𝑅𝑎𝑠+ 𝑅𝑣∗ 𝑋) ∗ (273 + 𝑇)
𝑃𝑎𝑡𝑚 (E-18)
Por último, calculamos el flujo másico de impulsión y retorno (ṁ SA, ṁ RA) en función de sus
caudales y el volumen específico de estos.
𝑚̇ = 𝑄
𝑣 ∗ 3600 (E-19)
3.1.2 Cálculo de fugas directas radiales
Para calcular las fugas radiales (ṁfi, ṁfe) se va a utilizar la ecuación E-8, la cual asemeja el paso
del flujo a través de las escobillas a la del paso del aire a través de una válvula.
Para cuantificar el flujo másico, hay que tener en cuenta el sentido de las corrientes, y escoger el volumen específico de la corriente de la que sale el flujo. Hemos supuesto que el volumen específico no cambia a lo largo de los conductos, por lo que coinciden con los de las corrientes principales OA, SA, RA y EA.
Si POA > PEA ṁ 𝑓𝑒 = √|𝑃𝑂𝐴− 𝑃𝐸𝐴| 𝐾𝑟 𝑣𝑂𝐴 (E-20) Si POA < PEA ṁ 𝑓𝑒= − √|𝑃𝑂𝐴− 𝑃𝐸𝐴| 𝐾𝑟 𝑣𝐸𝐴 (E-21)
31 Si PSA > PRA ṁ 𝑓𝑖 = √|𝑃𝑆𝐴− 𝑃𝑅𝐴| 𝐾𝑟 𝑣𝑆𝐴 (E-22) Si PSA < PRA ṁ 𝑓𝑖 = − √|𝑃𝑆𝐴− 𝑃𝑅𝐴| 𝐾𝑟 𝑣𝑅𝐴 (E-23)
En caso de que no haya diferencia de presiones entre ambos conductos, el flujo de fuga será nulo.
Para conocer el caudal de fuga que se está produciendo, únicamente tendremos que evaluar los flujos, a través de la siguiente ecuación.
𝑄 = ṁ ∗ v ∗ 3600 (E-24)
3.1.3 Cálculo de fugas directas de bypass
El volumen intermedio entre la carcasa y el recuperador está en contacto con el ambiente exterior, por ello, todo el flujo que pase a través de las escobillas perimetrales escapará o vendrá del ambiente, no permitiendo el bypass entre corrientes.
Las fugas que denominaremos de bypass en cualquier caso (ṁbpOA, ṁbpSA, ṁbpRA, ṁbpEA), se van
a calcular de forma análoga al apartado anterior, teniendo en cuenta en este caso que la presión de referencia es la del ambiente.
Si POA > Patm XbpOA=XOA ṁ𝑏𝑝𝑂𝐴 = √|𝑃𝑂𝐴𝐾− 𝑃𝑎𝑡𝑚| 𝑏𝑝 𝑣𝑂𝐴 (E-25) Si POA< Patm XbpOA=Xamb ṁ𝑏𝑝𝑂𝐴 = − √|𝑃𝑂𝐴𝐾− 𝑃𝑎𝑡𝑚| 𝑏𝑝 𝑣𝑎𝑚𝑏 (E-26)
32 Si PSA> Patm XbpSA=XSA ṁ𝑏𝑝𝑆𝐴 = √|𝑃𝑆𝐴𝐾− 𝑃𝑎𝑡𝑚| 𝑏𝑝 𝑣𝑆𝐴 (E-27) Si PSA< Patm XbpSA=Xamb ṁ𝑏𝑝𝑆𝐴 = − √|𝑃𝑆𝐴𝐾− 𝑃𝑎𝑡𝑚| 𝑏𝑝 𝑣𝑎𝑚𝑏 (E-28) Si PRA > Patm XbpRA=XRA ṁ𝑏𝑝𝑅𝐴= √|𝑃𝑅𝐴𝐾− 𝑃𝑎𝑡𝑚| 𝑏𝑝 𝑣𝑅𝐴 (E-29) Si PRA< Patm XbpRA=Xamb ṁ𝑏𝑝𝑅𝐴= − √|𝑃𝑅𝐴𝐾− 𝑃𝑎𝑡𝑚| 𝑏𝑝 𝑣𝑎𝑚𝑏 (E-30) Si PEA > Patm XbpEA=XEA ṁ𝑏𝑝𝐸𝐴 = √|𝑃𝐸𝐴𝐾− 𝑃𝑎𝑡𝑚| 𝑏𝑝 𝑣𝐸𝐴 (E-31) Si PEA < Patm XbpEA=Xamb ṁ𝑏𝑝𝐸𝐴 = − √|𝑃𝐸𝐴𝐾− 𝑃𝑎𝑡𝑚| 𝑏𝑝 𝑣𝑎𝑚𝑏 (E-32)
33 En caso de que no haya diferencia de presiones entre el conducto y el ambiente, el flujo de fuga será nulo.
Para el cálculo del caudal, se utiliza la ecuación E-24, igual que en apartado anterior. 3.1.4 Cálculo de flujos de corriente
Para calcular los flujos másicos de las corrientes principales OA y EA (ṁOA, ṁEA), será
necesario realizar un balance de masas y humedades global al sistema, según lo representado en la Figura 24.
Figura 24: Balance global al sistema.
ṁ𝑂𝐴− ṁ𝐸𝐴= ṁ𝑆𝐴 − ṁ𝑅𝐴+ ṁ𝑏𝑝 𝑂𝐴+ ṁ𝑏𝑝 𝑆𝐴+ ṁ𝑏𝑝 𝑅𝐴+ ṁ𝑏𝑝 𝐸𝐴 (E-33)
ṁ𝑂𝐴∗ 𝑋𝑂𝐴− ṁ𝐸𝐴∗ 𝑋𝐸𝐴= ṁ𝑆𝐴∗ 𝑋𝑆𝐴 − ṁ𝑅𝐴∗ 𝑋𝑅𝐴+ ṁ𝑏𝑝 𝑂𝐴+ ∑(ṁ𝑏𝑝∗ 𝑋𝑏𝑝) (E-34)
A partir de las ecuaciones E-33 y E-34 se forma un sistema de 2 ecuaciones con 2 incógnitas, sistema del que podremos despejar ṁOA y ṁEA.
34 Para calcular los flujos que entran y salen del recuperador (ṁOAR, ṁSAR, ṁRAR, ṁEAR), haremos
un balance de masa individual a los puntos en donde confluyen estas corrientes, según los representado en la Figura 25.
Figura 25: Balances individuales al sistema.
ṁ𝑂𝐴𝑅 = ṁ𝑂𝐴− ṁ𝑓𝑒− ṁ𝑏𝑝 𝑂𝐴 (E-35)
ṁ𝑆𝐴𝑅 = ṁ𝑆𝐴 + ṁ𝑓𝑖+ ṁ𝑏𝑝 𝑆𝐴 (E-36)
ṁ𝑅𝐴𝑅 = ṁ𝑂𝐴+ ṁ𝑓𝑖 − ṁ𝑏𝑝 𝑅𝐴 (E-37)
ṁ𝑂𝐴𝑅 = ṁ𝐸𝐴− ṁ𝑓𝑒+ ṁ𝑏𝑝 𝑂𝐴 (E-38)
